光子集成研究進展

陳向飛，唐 松

（1.南京大學 南京210093；2.英國格拉斯哥大學 英國格拉斯哥G128QQ）

1 引言

隨著互聯網及無線通信網絡的快速發展，由傳統分立器件構成的光網絡系統越來越復雜，隨之帶來的是能耗激增的問題。人們渴望將具有不同功能的半導體器件集成在同一個基片上，高度的集成化能簡化系統結構，帶來更緊湊的封裝方式，大大地降低能耗。2004年以后，光子集成器件（PIC）發展迅速，成為目前光通信領域的研究熱點，并且被歐美發達地區和國家定位為戰略發展技術方向。半導體器件的集成代表了未來光通信網絡的發展方向，能有效地解決通信容量緊張以及能耗激增的問題。在這方面，我國的光電子集成芯片研究進展緩慢，迫切需要展開更深入的研究。

在微電子領域，芯片的集成度遵循摩爾定律：芯片的集成度（單個芯片上的晶體管數目）每兩年翻一番，這個定律在電子芯片過去40多年的發展進程中得到了驗證。對于光子集成芯片，人們發現了類似的“摩爾定律”，只不過集成度不是每兩年翻一番，而是近似每2.5年翻一番[1]，如圖1所示。然而，光子集成芯片和傳統的微電子集成芯片有很大的不同，微電子集成芯片的優勢在于只需要少數幾種簡單的微結構的大量拼湊就可以實現復雜的功能。而對于光子集成器件，其線度目前遠遠大于微電子功能結構的尺寸，并且光電子器件種類繁多，包括激光器、調制器、放大器、濾波器、耦合器、復用器等需要不同設計的功能器件，因此光電子器件的集成難度遠遠大于傳統的微電子芯片。然而，盡管難度很大，人們在光子集成領域還是在不斷地前進，并且取得了相當大的成就。

2 光子集成相關技術

目前光子集成技術種類繁多，各種技術都有各自的優缺點，并且在不同的領域得到了應用。對于光電子器件的集成，由于現代光通信系統都是基于波分復用（WDM）技術，因此光電子器件都是基于特定波長優化的。對于不同種類的光電子器件，比如激光器、調制器、無源耦合器等，它們對光的不同功能來自于它們不同的能帶結構，因此光電子器件的集成本質上是對不同波長的光的能帶工程，需要在同一個基片上實現具有不同功能的能帶結構。

在各種光電子器件中，半導體激光器是比較特殊的一類器件，作為光通信系統的信源，它無可替代的功能奠定了其在種類繁多的光電子器件中的關鍵地位。圍繞半導體激光器這一關鍵器件，光子集成的方式無非可以劃分為兩種：一種是基于制作有源激光器的基片，通過一些特殊的方法改變特定位置的能帶結構，實現具有不同功能的器件；還有一種即基于無源器件，通過在制作無源器件的基片上集成半導體激光器來實現功能器件的集成。

事實上，對于前一種方法，由于制作通信波段的半導體激光器都基于InP材料，因此有源無源集成限定在了InP基片上。在InP材料基底上通過生長量子阱結構制作高性能半導體激光器芯片的方法，只需要通過一定的方式改變量子阱的能帶結構就能實現具有不同功能的光電子器件的集成，目前唯一成功商業化的單片光子集成案例就是基于這種集成方式。通過改變量子阱的能帶實現不同的功能，目前已經發展了多種技術，包括對接生長技術、量子阱混雜技術、選擇區域生長技術等，每種技術都有各自的優缺點，實際要制作高性能的集成芯片，可能需要同時應用這幾種技術，以便在獲得高性能的同時，盡量降低生產成本。

另外一種集成方式就是在無源材料上制備耦合器、調制器等器件，和基于InP材料的半導體激光器結合。目前國際上研究的無源材料器件有硅基材料、有機聚合物材料、鈮酸鋰材料以及玻璃基材料等。這些材料都非常適合制作高性能的無源器件，并且很多都獲得了商業化的成功，比如基于鈮酸鋰材料的馬赫—曾德爾調制器、基于玻璃材料的光分路器等。因此在成熟的無源器件基礎上進行半導體器件的集成是比較好的方式，由于目前制備通信用的半導體激光器只能基于InP材料，InP和上述材料都無法實現晶格匹配，因此基于無源材料的光子集成難度很大。一種比較直接的集成方式就是將無源器件與半導體激光器進行直接耦合，混合封裝成一個模塊，這種方式的難度在于耦合，目前還沒有比較好的方式獲得很高的耦合效率，而且這種集成方式不利于模塊的小型化。另外一種方式就是在無源材料上通過鍵合或者粘合的方式，將半導體激光器InP材料和無源材料結合。現在基于硅基光子學的集成方案比較熱門，由于硅基器件的制作可以和微電子的CMOS工藝兼容，人們期望硅基光子學未來能實現大規模、低成本的集成光子芯片的制備。

圖1 光子集成芯片集成度的發展[1]

光子集成相關技術的總結如圖2所示，雖然光子集成的相關技術種類很多，人們目前普遍認為基于InP的光子集成技術和硅基光子學是未來光子集成的發展方向，下面就這兩種光子集成方式進行探討。

3 基于InP材料的光子集成器件

基于InP的光子集成器件最早可以追溯到1987年，日本的研究人員首次在同一個芯片上集成了一個分布反饋（DFB）激光器和一個電吸收調制器（EAM）[2]。然而到了1995年，集成芯片才在商業上獲得大規模的應用[3]。隨著工藝的改進、集成度的提高，人們在單個芯片上實現的傳輸速率也在逐年提高。2004年，光子集成器件的先驅美國Infinera公司首次實現了100 Gbit/s的發射器[4]，并且逐漸走向了大規模光子集成的道路。

基于InP的光子集成器件目前已趨于成熟，其基本的產品可以分為兩種集成模塊：發射器和接收器。這兩種模塊可以單獨設計制作，并沒有要求完全集成在同一個基片上，發射器具有發射多波長通道信息的功能，而接收器則將不同的信道分解開，并且提取出每個信道的信息。典型的光子集成發射芯片的結構如圖3所示，每一路都由激光器 （laser diode，LD）、調 制 器 （modulator）、可 調 衰 減 器（variable optical attenuator，VOA）組成，每一個通道對應密集波分復用 （DWDM）系統的一個波長，當復用器（multiplexer）將多個通道合并成一個通道輸出時，就實現了一個完整的光子集成發射芯片。每一個通道的調制器能調制的信號速率越高，調制的格式越復雜，單個芯片上集成的通道數越多，則該集成芯片能承載的速率越高。光子集成接收器的結構和發射器的結構類似，只不過是一個相反的過程：光纖中的多信道光源首先經過解復用器（demultiplexer）將每個信道的波長分解出來，然后每個通道集成PD探測器就可以將特定波長上承載的信息提取出來。

圖2 光子集成相關技術

圖3 光子集成發射芯片結構

雖然現在國際上很多公司都推出了自己的光子集成芯片，比如Finisar、CyOptics等，都推出了自己的光子集成芯片[5]，包括單芯片40 Gbit/s甚至100 Gbit/s。但這些集成芯片基本上都是4通道的，集成度并不高，而且基本上應用于局域網，傳輸距離較短。在光子集成器件方面的集大成者還是Infinera公司，該公司可以說是目前世界上唯一一家能做大規模光子集成芯片的公司，唯一一家將大規模光子集成芯片商用的公司。在2011年，該公司成功實現了單芯片10通道速率達1.12 Tbit/s的超級通道相干發射芯片，標志著光子集成芯片又向前前進了一大步。目前基于InP材料的光子集成芯片的應用主要有兩種：一種就是應用于局域網，集成度要求不高，速率要求也沒有很高；另一種就是應用于長距離相干光通信，對集成芯片要求很高，目前只有Infinera公司推出了相關產品。

目前光子集成芯片以美國公司為代表，具有最高的研究水平以及成熟的商業化產品，緊隨其后的便是歐洲國家。歐盟為了在光子集成領域的研究水平不落后于美國，建立了一個基于InP材料的光子集成芯片研究以及產業轉化平臺——JePPIX（Joint European Platform for InP-based Photonic Integrated Components and Circuits）。該平臺聯合了整個歐洲在InP集成方面研究以及產業化水平最高的高校、研究所以及公司，希望建立一個公用的通用工藝加工平臺[6]。

歐洲JePPIX通用光子集成平臺借鑒微電子的集成方式，希望通過將光子集成芯片分解成一個一個微小的功能模塊，建立對應的標準工藝，這樣就會有利于集成。類比于微電子的集成過程，這種工藝流程適合大規模工業化制作，并且可以靈活地定制芯片，當芯片定制上一定的規模時，具有很高的成本效益。圖4展示的是通過4種基本的功能模塊：無源波導（passive waveguide device）、相位調制器 （phase modulator）、半 導 體 光 放 大 器（semiconductor optical amplifier）和偏振轉換器（polarisation converter），可以制備多種具有復雜功能的集成器件，比如2×2光開關（2×2 switch）、多波長激光器（multi-wavelength laser）以及偏振分束/復用器（polarisation splitter/combiner）等。一旦建立成熟的通用集成技術平臺，歐洲國家在光子集成芯片大規模應用方面必定會有所作為。

4 基于硅基的光子集成器件

硅材料由于微電子芯片的大量應用而大放異彩，同時硅也是很好的光無源材料，結合材料鍺可以制作性能優良的無源波導、調制器、探測器等光電器件。由于硅有成熟的CMOS工藝，并且目前的硅工藝的精度可以達到10 nm，因此人們希望制備硅基光電子器件，并且借助于CMOS工藝，可以大規模制備低成本的光子集成芯片。目前，基于硅基的光子集成器件很熱門，國際上很多著名公司以及研究組都在致力于硅基光子器件的產業化研究，包括微電子芯片的巨頭IBM、Intel等公司，其中Intel公司在這方面已經有近20年的技術積累，研制出的硅基光子集成芯片已成功應用于Facebook、Google等公司的數據中心。美國的新興公司Luxtera，是硅基光子集成芯片的引領者，通過在硅基光子集成芯片上鍵合基于InP材料的半導體激光器，成功制備了4×10 Gbit/s的光電收發器，并且成功將其封裝成QSFP模塊。硅基光子集成芯片的成功應用增大了人們對硅基光子學的信心，未來硅基光子集成芯片將得到更廣泛的應用。

圖4 通過基本功能模塊制備集成芯片舉例[7]

人們已經基于硅材料制作了很多性能優異的調制器以及探測器等光電器件，然而由于硅是非直接躍遷帶隙材料，因此無法直接制作半導體激光器。盡管人們還是在不斷地嘗試制作硅基的半導體激光器[8]，但目前硅基激光器還無法產業化，性能更無法超越基于InP材料的半導體激光器，因此硅基光子芯片和基于InP的半導體激光器的結合還是目前最有希望獲得產業化的一種方案。

要是能直接在硅上生長InP材料，則可以很方便地集成基于InP的半導體激光器，可惜InP材料和硅材料的晶格常數相差很大，在硅上很難實現無缺陷的InP材料的生長。雖然有少數研究組還在探索如何在硅上生長InP材料，但研究人員更多地將注意力放在了硅基光子集成芯片和InP激光器成品（或者半成品）之間的混合集成?；旌霞捎袃煞N方式：一種方式是通過機械耦合直接將兩者進行耦合封裝，還有一種是通過bonding（鍵合或者粘合）方式實現混合集成，bonding方式可以實現真正意義上的硅基單片集成芯片。

4.1 機械耦合封裝的硅基集成芯片

如果能將半導體激光器直接和硅基光子集成芯片進行耦合，則可以制備混合封裝的光子集成模塊。然而，由于半導體激光器的脊條寬度一般為2μm左右，而硅波導的尺寸一般可以達到500 nm左右，波導寬度的不對等造成了模式的嚴重不匹配，因此需要研究如何提高耦合效率。

圖5顯示的是波導之間的直接耦合，圖5（a）是DFB半導體激光器將出射光直接耦合到硅基波導中，圖5（b）則是將硅基波導中的光耦合進光纖，以便傳輸。要提高耦合效率，需要將硅波導在耦合端制作錐形的模式轉換器，通過將硅波導做寬，可以盡量使得模式匹配，從而增大耦合效率。應用于波分復用系統，需要多個波長的半導體激光器，因此需要硅基光子集成芯片和半導體激光器陣列進行耦合，這對于耦合技術和耦合效率都是不小的挑戰。

除了這種邊耦合的方式，研究人員還開發了另外一種耦合方式，通過波導光柵進行耦合，如圖6所示。當在硅波導中制作強耦合的光柵結構時，由于光波波矢和光柵倒格矢之間的相互作用，光會在垂直方向以一定的角度輻射出去，這樣就可以進行光纖耦合。這種耦合方式是在垂直方向上進行耦合，對機械固定的要求更高，難度也更大。

4.2 混合集成硅基光子芯片

要實現硅基光子芯片的單片集成，則需要將基于InP的半導體激光器直接集成到硅基片上，國外研究人員通過膠粘合或鍵合的方式將半導體激光器芯片固定在硅基片上。前者具有代表性的研究組是比利時的根特大學，后者則是美國加州大學圣芭芭拉分校的Bowers J E研究組。

為了使半導體激光器能比較方便地集成在硅基上面，比利時根特大學的研究組采用了一種叫做DVB-BCB的紫外固化膠[10]，這種膠能夠在紫外光的照射下固化，這樣就能在半導體激光器芯片和硅基波導對準之后方便地進行固定。這種方式能實現大面積的芯片之間的集成，但對膠的穩定性以及對準過程的精度具有很高的要求。粘合后的集成芯片的橫截面如圖7（a）所示，通過拋光減薄之后，半導體激光器的N型摻雜的基底很薄，將次激光器的N型基底的一面和制作的硅基光子器件之間通過很薄的DVS-BCB膠粘合起來，這樣量子阱和硅基波導之間的距離就很近，量子阱里的光直接就可以通過硅基波導耦合出來。這樣就能將InP半導體有源器件和硅基器件很好地集成起來，制作單片硅基光子集成器件。

圖5 波導之間的直接耦合

圖6 利用波導光柵進行耦合的原理[9]

圖7 硅基光子芯片的集成

為了使芯片之間的結合更穩固，研究人員希望通過鍵合的方式實現半導體激光器和硅基器件之間的結合。通過鍵合，分子之間具有強力的作用力，保證了芯片的穩定性，同時避免了紫外膠對芯片性能的影響。如圖7（b）所示，通過O2等離子體的輔助，基于InP的半導體激光器和已經制作好硅基光子器件的基片在較低溫度下鍵合在了一起[11]。通過這種方式，半導體激光器的量子阱可以和硅波導距離更近，有益于獲得更大的光場限制因子，獲得更好的性能。這種鍵合方式同樣可以實現大面積基片之間的鍵合，具有實現未來大規模低成本光子集成芯片的潛力。

5 光子集成器件的未來：InP還是Si

前文介紹了基于InP的光子集成芯片，也介紹了硅基光子集成芯片的實現，雖然基于InP的光子集成芯片率先獲得了商業化的成功，但硅基光子學借助于成熟的CMOS工藝，未來可能更具有潛力。光子集成器件的未來究竟是InP還是Si，一直是業內人士爭論和思考的問題[12]。

基于InP的光子集成芯片一直給人以性能高但價格也高的印象，因為基于InP材料的有源結構的量子阱的生長一般是多量子阱結構，需要用到四元化合物來調節相應的能帶，生長工藝復雜。而且用到的原材料（比如In）都比較昂貴，并不像Si那樣來源廣泛。就像Infinera公司推出的光子集成芯片價格如此高昂，以至于只能應用于對價格沒那么敏感的骨干網，這也是基于InP的光子集成芯片還沒有大規模應用的一個原因。然而，基于InP的光子集成芯片在未來還是有潛力的，歐洲國家致力于建立JePPIX光子集成平臺，他們認為，基于InP的光子集成芯片價格高昂的原因是還沒有建立一個像CMOS工藝那樣的通用的工藝加工平臺。一旦基于InP的加工平臺得以建立，在實現高成品率以及大規模應用的情況下，基于InP材料的光子集成芯片也會擁有很低的價格。

那么，硅基光子集成芯片是否一定能取代基于InP材料的光子集成芯片呢？首先，毫無疑問的是，硅基激光器一直是硅基光子集成芯片的一個軟肋，就像前文分析的那樣，硅基光子集成芯片的未來可能還是在于結合基于InP的半導體激光器的混合集成。一方面，就目前而言，通過鍵合的方式得到的硅基光子集成芯片暫時只達到40 Gbit/s的速率（Luxtera公司的產品），然而，基于InP的光子集成芯片已經實現了1.12 Tbit/s的傳輸速率 （Infinera公司產品），兩者之間還存在著不小的差距。另外一方面，硅基光子集成芯片也并不一定意味著低廉的價格[13]。對于小批量的生產，硅基光子集成芯片價格也很高昂，價格低廉的前提也是大規模生產的同時擁有很高的成品率。雖然硅基光子學和CMOS工藝相兼容，但其制作參數、工藝流程和微電子芯片的制作很不一樣，高成品率的前提是對每一步工藝都進行細致的摸索，同時對工藝流程進行精確的管控。雖然目前的CMOS工藝已經達到了10 nm的量級，但要在同一硅基片上同時實現調制器、探測器、無源波導等的光電子器件的集成，是一個非常具有挑戰性的工作，其制作工藝并不能照搬微電子芯片的制作工藝。同時硅基光子芯片的封裝和基于InP的光子集成芯片都涉及光的耦合，比普通的微電子芯片成本要高，硅基光子集成芯片要實現大規模應用還需時日。

就目前而言，基于InP的光子集成芯片由于出色的性能在骨干網以及局域網都得到了很好的應用，而硅基光子集成芯片由于低功耗以及與CMOS工藝兼容的特點，有望率先在數據中心的光互連得到應用，并且未來可以實現微電子芯片間的互連[14]。至于未來兩者在某些應用領域產生競爭，還要看最終哪種技術能在實現高性能的同時具有較低的成本。

6 國內光子集成技術

國內已部署并開展了光子集成技術方面的研究工作，例如：國家自然科學基金委重大項目“高速光電子集成基礎研究”（No.61090392）于2010年立項，開展面向高速傳輸、交換和高速封裝測試的光子集成基礎方面的研究；國家“863”計劃項目“光子集成技術與系統應用”（No.2011AA010300）于2011年立項，對光子集成技術及其系統應用進行了比較完整的研究，研究內容包括光集成的基礎技術、硅基光集成接收芯片、面向干線傳輸的InP基10×10 Gbit/s光子集成發射芯片、面向光接入網絡的16×2.5 Gbit/s光子集成發射芯片、面向無線通信的8×6 GHz模擬光子集成發射芯片以及各個芯片的示范性系統平臺應用。目前在光子集成芯片、模塊和應用上都已取得了重要的研究進展。

7 結束語

毫無疑問，光子集成是未來光通信網絡的發展趨勢。歐美日等地區和國家率先在該領域做出了開創性的研究工作，并且有相應的產品不斷問世。隨著光子集成芯片的集成度被逐漸打破，單芯片所能承載的通信速率必然會越來越大。光電子器件的集成將是各大光電子器件公司爭相爭奪的戰略制高點，必將成為下一代光通信網絡的關鍵。

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